车桥螺栓断裂分析报告
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车桥螺栓断裂分析报告
某厂生产的重型机械在行进途中,所用车桥轮毂的紧固螺栓断裂,螺栓规格:M22×1.5,形
状如图1所示。断口形貌见图2。
螺栓材质为40Cr,螺栓所要达到的性能指标和具体工艺不详,应企业要求,现对其进行断裂
失效分析。
1、化学成分分析
经线切割后,在螺栓断面接近中心处取样,按照40Cr主要成分先进行了常规5元素
(C,Si,Mn,S,P)及Cr,Mo两元素的化学分析,结果(质量分数) 及标准成分(GB/T3077-1999)
对照表见表1。
40Cr为低合金调质钢,淬透性高于碳钢,油淬临界直径达17-30mm,水淬临界直径30mm
以上。经调质处理后具有良好的综合力学性能,常用于在交变载荷作用下工作的重要零件。
成分分析结果显示,该螺栓的化学成分符合40Cr钢标准成分要求。
2、断口宏观形貌分析
螺栓断面与螺栓轴线垂直,断口表面经过清洗后发现(如图2所示),中间部分区域已经发
生氧化,在断口上不能找到明显的放射线的汇集区域。在断口的右侧存在明显的剪切唇,所
以应该属于最后的断裂区域。在断口左下侧存在平坦区域,因此判断此处为裂纹源的位置。3、金相组织分析
图3、图4为螺栓的金相照片,其组织为回火索氏体+铁素体,铁素体呈游离块状,分布不均。组织中块状游离态铁素体的出现,主要是由于热处理加热过程中加热温度偏低或保温时间不足,也即热处理不充分,造成部分铁素体未能完全溶解于奥氏体,并在随后的冷却过程中保
留下来。这种游离态铁素体组织属淬火欠热组织,其硬度低,强度也低,大大降低了钢的使
用性能,尤其是显著降低钢的冲击韧性。
另外,金相照片还发现不少黑点存在,初步判定为夹杂或者热处理过程中脱碳造成,确切的
构成可以通过区域能谱分析进行进一步的确认。但是不管是夹杂还是石墨,都会在一定程度
上割裂基体,减少承载面,降低材料力学性能,有时甚至会成为裂纹萌生源,继而不断扩展
而最终完全断裂。
平均312/30.3315/30.7335/32.7344/34.0
根据“GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱”要求,M22×1.5对应于10.9级规定,维氏硬度在HV320-380之间,最小拉力载荷346000N,保证载荷376000N,国标规定表
面硬度允许高于芯部硬度,其最大差值为30个维氏硬度值(螺栓表面没有渗碳处理的情况)。
表1硬度测试结果表明,螺栓表面没有渗碳处理的前提下,表面与芯部的硬度差值分别为23
和32个维氏硬度值,基本符合GB/T 3098.1-2010中10.9级螺栓标准要求,但是心部及1/2R
处显微硬度已经低于国标要求的下限值HV320,也即此螺栓强度偏低。
5、扫描电镜、能谱分析
扫描电镜结果见图5所示,能谱分析结果见图6所示。
(1)从SEM照片中发现,试样中部区域存在明显的解理台阶,为解理断裂,边缘则出现剪切唇,因此综合判定为准解理断裂,属于脆性断裂。
(2)在SEM下没有观察到明显的疲劳条纹,说明零件服役时所受的交变载荷作用不大,疲劳断裂作用不明显。
(3)扫描电镜发现试样中含有夹杂物(如图5所示),经能谱仪对该夹杂物进行元素扫描后发现其中含有Ca、O元素(如图6所示),初步判定为CaO之类的夹杂。
(4)SEM发现,材料内部存在大量微小裂纹,且主要存在于夹杂物附近。在交变载荷的作用下,这些微小裂纹连接并扩展,最后导致断裂。
6、结论与建议
(1)SEM及能谱分析显示,原材料中存在夹杂,且在夹杂物附近发现大量微小裂纹,即夹杂形成裂纹萌生源,在材料综合性能下降的情况下,裂纹不断扩展而最终完全断裂。(2)该螺栓热处理不足,造成钢中存在块状游离铁素体,从而使钢材综合性能尤其是冲击韧性下降,也加快了螺栓断裂。
(3)由于没能提供详细的螺栓技术要求及标准等级,这里仅以根据“GB/T 3098.1-2010之10.9级规定做比较,该螺栓心部附近显微硬度值低于国标要求的下限值HV320,螺栓强度整体偏低。
(4)建议追踪同批次螺栓去向,做好更换工作,以免造成更多损失,同时在今后要加强原材料冶金质量的监督抽查,加强并确保材料热处理工艺的正确执行,有必要螺栓产品分批次进行质量抽查(可第三方抽查)。